JUC - 多线程之 CAS和原子类

Posted 2022-11-23 MinggeQingchun

一、CAS

CAS（Compare And Swap），比较和交换；体现的是一种乐观锁的思想

CAS　用于实现多线程同步的原子指令。 它将内存位置的内容与给定值进行比较，只有在相同的情况下，将该内存位置的内容修改为新的给定值。 这是作为单个原子操作完成的。 原子性保证新值基于最新信息计算; 如果该值在同一时间被另一个线程更新，则写入将失败。 操作结果必须说明是否进行替换; 这可以通过一个简单的布尔响应（这个变体通常称为比较和设置），或通过返回从内存位置读取的值来完成

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)

如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则，处理器不做任何操作

如多个线程要对一个共享的整型变量执 行 +1 操作

// 需要不断尝试
while(true) 
    int 旧值 = 共享变量 ; // 比如拿到了当前值 0
    int 结果 = 旧值 + 1; // 在旧值 0 的基础上增加 1 ，正确结果是 1
    
    /*
    这时候如果别的线程把共享变量改成了 5，本线程的正确结果 1 就作废了，这时候
    compareAndSwap 返回 false，重新尝试，直到：
    compareAndSwap 返回 true，表示我本线程做修改的同时，别的线程没有干扰
    */
    if( compareAndSwap ( 旧值, 结果 )) 
        // 成功，退出循环
    

public class CASTest1 
    // CAS compareAndSet : 比较并交换！
    public static void main(String[] args) 
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);
        // 期望、更新
        // public final boolean compareAndSet(int expect, int update)
        // 如果我期望的值达到了，那么就更新;否则，就不更新, CAS 是CPU的并发原语！

        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021));
        System.out.println(atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2021, 2020));
        System.out.println(atomicInteger.get());

        atomicInteger.getAndIncrement();

        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 6666));
        System.out.println(atomicInteger.get());
    

查看　AtomicInteger　源码

 

通过源码我们发现AtomicInteger的增减操作都调用了Unsafe 实例的方法 

（一）Unsafe类

Unsafe 是位于 sun.misc 包下的一个类，Unsafe 提供了CAS 方法，直接通过native 方式（封装 C++代码）调用了底层的 CPU 指令 cmpxchg

Unsafe类，翻译为中文:危险的,Unsafe全限定名是 sun.misc.Unsafe，从名字中我们可以看出来这个类对普通程序员来说是“危险”的，一般应用开发者不会用到这个类

定义在 Unsafe 类中的三个 “比较并交换”原子方法

/*
@param o 包含要修改的字段的对象
@param offset 字段在对象内的偏移量
@param expected 期望值（旧的值）
@param update 更新值（新的值）
@return true 更新成功 | false 更新失败
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update);
public final native boolean compareAndSwapInt( Object o, long offset, int expected,int update);
public final native boolean compareAndSwapLong( Object o, long offset, long expected, long update);

Unsafe 提供的 CAS 方法包含四个入参： 包含要修改的字段对象、字段内存位置、预期原值及
新值

在执行 Unsafe 的 CAS 方法的时候，这些方法首先将内存位置的值与预期值（旧的值）比
较，如果相匹配，那么处理器会自动将该内存位置的值更新为新值，并返回 true ；如果不相匹配，处理器不做任何操作，并返回 false

（二）CAS实现原子操作的三大问题

1、ABA问题

• 因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。
• ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。举个通俗点的例子，你倒了一杯水放桌子上，干了点别的事，然后同事把你水喝了又给你重新倒了一杯水，你回来看水还在，拿起来就喝，如果你不管水中间被人喝过，只关心水还在，这就是ABA问题

2、循环时间长开销大

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。

3、只能保证一个共享变量的原子操作

-当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。
-还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij

从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作

二、原子类

JUC 并发包中原子类 ， 都存放在 java.util.concurrent.atomic 类路径下

根据操作的目标数据类型，可以将 JUC 包中的原子类分为 4 类：

• 基本原子类
• 数组原子类
• 原子引用类型
• 字段更新原子类

（一）基本原子类

基本原子类的功能，是通过原子方式更新 Java 基础类型变量的值。基本原子类主要包括了以下三个：

AtomicInteger：整型原子类

AtomicLong：长整型原子类

AtomicBoolean ：布尔型原子类

（二）数组原子类

数组原子类的功能，是通过原子方式更数组里的某个元素的值。数组原子类主要包括了以下三个

AtomicIntegerArray：整型数组原子类

AtomicLongArray：长整型数组原子类

AtomicReferenceArray ：引用类型数组原子类

（三）引用原子类

引用原子类主要包括了以下三个：

AtomicReference：引用类型原子类

AtomicMarkableReference ：带有更新标记位的原子引用类型

AtomicStampedReference ：带有更新版本号的原子引用类型

AtomicStampedReference通过引入“版本”的概念，来解决ABA的问题

（四）字段更新原子类

字段更新原子类主要包括了以下三个：

AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型字段的更新器

AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器

AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段

解决上述ABA问题，引入原子引用，使用版本号控制

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

public class CAS_ABA 
    //AtomicStampedReference 注意，如果泛型是一个包装类，注意对象的引用问题
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(1,1);

    // CAS  compareAndSet : 比较并交换！
    public static void main(String[] args) 

        new Thread(() -> 
            // 获取版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println("a1 ---->" + stamp);

            try
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
             catch (InterruptedException e)
                e.printStackTrace();
            

            // 公平锁，非公平锁
            Lock lock = new ReentrantLock(true);

            atomicStampedReference.compareAndSet(1,2,
                    atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1);

            System.out.println("a2 ---->" + atomicStampedReference.getStamp());

            atomicStampedReference.compareAndSet(2,1,
                    atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1);

            System.out.println("a3 ---->" + atomicStampedReference.getStamp());

        ,"t1").start();

        new Thread(() -> 
            // 获取版本号
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println("b1 ---->" + stamp);

            try
                TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
             catch (InterruptedException e)
                e.printStackTrace();
            

            atomicStampedReference.compareAndSet(1,6,
                    atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp() + 1);

            System.out.println("b2 ---->" + atomicStampedReference.getStamp());
        ,"t2").start();